CN101238251A

CN101238251A - 合成纸张

Info

Publication number: CN101238251A
Application number: CNA2005800512738A
Authority: CN
Inventors: 阿加多·皮拉·阿方索
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2008-08-06

Abstract

本发明涉及合成纸张的制造，该纸张由多种聚合物以一定比例混合制成以获得特定的性能，其提供与其它类似纸张相比改良的特征。

Description

合成纸张

摘要

背景技术

在造纸行业中存在着广泛的需求，即提供由聚合物制造的能够取代由纤维制成的纸张的产品。公知技术针对此问题所提供的解决方案主要涉及源于挤出或共挤出聚烯烃(polyolefin)¹的解决方案，其中聚烯烃中加入不同的添加剂以提高某些参数。本申请之日前所有已知的发明都将工作的注意力集中到开发类似纸张的薄膜，但是并不注重获得主要特征像纸张的性能。

在平面设计行业中，技术提供大量的可选方案来获取纤维素纸张所不能提供的更高质量的纸张。

然而，在包装行业中，仍然存在着对能以有效和经济(有成本效益)的方式代替纸张的合成纸张的需求。因此，合成纸张仍然具有某些阻碍其广泛应用的问题。具体说，需要能够达到传统纸张所具有的外观、弹性、触感及折叠性能(creasing capacity)²的合成纸张，而且需要以上性能都在经济上具有竞争力的产品。到目前为止，由聚烯烃制成的合成纸张在努力达到这些要求的时候仍然存在着问题，主要的问题仍然是这些纸张显示出的“记忆力(memory)³”。聚烯烃在折叠时具有返回其原始状态的倾向，

¹聚乙烯或聚丙烯

²纤维素纸张显示出的在其经受预定压力的卷折后保持折叠的特性。在所属技术领域也称为“死褶(deadfold)”。

³由聚合物制得的薄膜所具有的在其经受预定压力的卷折后回复到其原始状态的特性。

这也就意味着包裹产品的合成纸张最终会绽开，将产品暴露到其周围环境中，从而达不到其目的。

所属技术领域有着多种解决该问题的尝试。总的来说，所有的解决方案都针对提供一种能使聚烯烃减少或消除记忆力的填料或其它成分

公布号为WO94/06849A1的国际专利申请(Bergevin等人)公开了一种类似于纸张的薄膜、及其组成和制造方法。此公知技术文献提出使用具有多种密度的聚乙烯，以多种比例相互组合或与其它组分混合。在一较佳实施例中，薄膜的合成建议使用高密度聚乙烯或聚乙烯的混合物，其中至少一种聚乙烯是高密度的。在该较佳实施例中，填料由占整个混合物25％至43％的碳酸钙和球径等于2.2μm的硅酸镁(滑石粉)组成。

公布号为WO02/102593A1的国际专利申请(Le Roux等人)公开了一种聚合物薄膜，其可以是聚乙烯，其包含具有极好颗粒测定结果(granulometry)⁴的填料，能使得摩擦系数和折叠性能与纸张相似。在较佳实施例中，填料由占聚合物重量10％至50％的碳酸钙组成。该文献还指出，填料的颗粒测定结果选择至关重要，其极大地影响纸张的触感。然而，该文献并未指出任何具体的较佳粒度或形状。该文献还确定了较佳的聚合物为高密度聚乙烯。

发明内容

本发明提供能解决上述问题的合成纸张，具体说，是具有良好折叠性(很少记忆力)、具有与纤维素纸张相似的外观和触感并且具有经济竞争力的合成纸张。

本发明开发一种生产合成纸张的配方，该合成纸张外观和性能与纤维素纸张类似，具有附加的品质，因而使得其能够总体上防油和防潮湿。

本发明通过使用高密度聚乙烯加上具有特定颗粒测定结果的硅酸镁(滑石粉)以减少纸张记忆力、并加上还使用碳酸钙以提供纤维素纸张的外观和触感来达到上述效果。

⁴指粒度的测量结果

在本发明一较佳实施例中，为了制造合成纸张，使用高密度和低分子量的聚乙烯，加上平均当量球径为15μm的硅酸镁以及平均当量球径为1μm的碳酸钙。

具体实施方式

首先，对本申请中使用的某些术语进行定义是有用的。

对本申请来说：

-(HDPE)高密度聚乙烯包含范围在0.930g/cm³至0.970g/cm³以下之间的聚乙烯(PE)。

-(LDPE)低密度聚乙烯包含范围在0.914g/cm³至0.930g/cm³以下之间的聚乙烯(PE)。

-低分子量聚乙烯包含的聚乙烯(PE)大部分短链轻度分枝(不规则或线型)，并且具有高熔融指数(melting index)。

-高分子量聚乙烯包含的聚乙烯(PE)大部分长链高度分枝(不规则或线型)，并且具有低熔融指数。

-熔融指数：在设定速率、设定温度和设定重量下聚合物流过孔口的量。流过的聚合物越多则熔融指数越大，反之亦然。

-E.S.D.对应于当量球径(Equivalent Spherical Diameter)的英语缩写。其通过下式计算：

E.S.D.：

-样品的最大分割值(maximum cut)指98％的颗粒具有小于最大分割值的E.S.D.。例如，如果一个样品的最大分割值为15μm，则98％的该样品的E.S.D.小于15μm。

-平均颗粒尺寸为样品中发现的绝大多数大小相同的颗粒的E.S.D.。

本发明的混合物的组分由与硅酸镁(滑石粉)(Mg₃H₂(SiO₃)₄)、碳酸钙(CaCO₃)还有二氧化钛混合在一起的一种或多种高密度聚乙烯(PE)制成的合成纸张组成。

聚乙烯含量必须是高密度、最好是低分子量，具有1g/10分钟至5g/10分钟范围的熔融指数(参见ASTM D-1238)，最好是2g/10分钟。根据所需的纸张基重(克重，grammage)，PE范围最好在50％至90％p/p之间。使用低分子量聚乙烯可使组分更均匀并且能更平滑地挤出，这能使在较低的温度下工作，从而避免温度超出所可能引起的氧化。

硅酸镁(滑石粉)具有大于44μm的分割值(cut value)，其比例范围为占混合物总量的10％至32％之间。本发明过程中进行的试验能够观察到，此处所使用的片形(laminar form)和粒度(particle size)，由于薄片边缘从表面突出从而形成粗糙的效果，因而对形成丝纸纹理来说是理想的。上述薄片使得薄膜较脆，具有良好的折叠性(残余褶皱)，从而消除了大部分记忆力。如果使用更大分割值的颗粒，则薄膜会变得太粗糙而不能变薄。相反地，如果使用更小分割值的颗粒，则观察不到影响。

碳酸钙需要更大的分割值，其范围在50至60μm之间，比例为占混合物总量1％至20％范围之间。本发明过程中进行的试验能够观察到，当仅使用滑石粉时，纸张就会变得太粗糙，使得必须消除该影响而不失去之前获得的特性。这就是当加入碳酸钙作为滑石粉分散剂时，使其在薄片之间起到作用，粒度必须不能再大，因为这将会极大地阻碍由滑石粉所取得的效果。

可以使用占混合物总量2％比例的二氧化钛，以提供足够的洁白度。

本发明最重要的特征之一在于，为了保持卓越的折叠性，发现了无论如何都不能使用任何形式的低密度聚乙烯(混合、层压、共挤出)，因为其分枝的分子结构，无论是无定形或线型，都会迅速破坏折叠。合成纸张与这种级别的聚乙烯完全不兼容。

本发明的合成纸张的制造通过挤出工艺生产，根据所要获得的最终产品，要么通过吹塑薄膜系统(blow film system)，要么流延薄膜系统(castfilm system)生产。如果纸张较薄，在20至50g/m²之间，则可以通过吹塑薄膜生产。大于50g/m²则必须以流延薄膜生产，因为，如果使用其它系统，则会失去对厚度和皱纹形成的控制。合成纸张在从20g/m²直到120g/m²范围内生产，可以染成任何颜色而不影响其最终特性。其还可以用胶水或加热粘贴。如果纸张用作自动包装机械中的包装材料，这些机械无需较大改动。在某些情况下，取决于设备，对切割系统要做小的调整。

本发明的纸张使用苯胺印刷(flexography)或轮转凹版印刷(rotogravure)工艺进行印刷，使用酒精稀释的墨水。为了取得墨水与纸张更好的粘附力，必须进行电晕处理(corona treatment)。

制造工艺

首先，必须制备母料，以处理粉末形式的物质碳酸钙、硅酸镁和二氧化钛，而高密度聚乙烯为小球状。因此，我们采用10至50g/10分钟之间的极低分子量的高密度聚乙烯，并且将其研磨；这样做是为了使其与其它以粉末形式存在的组分更好地混合。之后，将其在转鼓式混合器中混合至少一小时。

最后，在双螺杆挤出机(用于制备母料的专用机械，由于其具有极佳的匀化性能，在本发明中非常需要)中将其挤出，并转化成小球。温度分布如下：第一区120℃，第二区160℃，第三区200℃，头部200℃。温度不应超过200℃，以避免高密度聚乙烯氧化。

典型地，制备要与聚乙烯、但是是低密度聚乙烯混合的母料的传统技术使用不规则分枝或线型分枝的极低分子量的聚乙烯。本发明的关键特征之一在于恰好发现了该技术妨碍了降低最终薄膜的记忆力。

为了得到用于挤出的混合物，母料(极低分子量的高密度聚乙烯、滑石粉、碳酸钙和二氧化钛)和低分子量的高密度聚乙烯在转鼓式混合器中结合45分钟至75分钟，混合时间依待混合的量而定，并尽力使所有组分得到良好的分布。

进一步，开始挤出程序。挤出机在其进料区必须具有极佳的制冷，以避免混合物初始过热，并因而保持均匀进料。挤出机螺杆必须至少具有24直径长度，具有匀化区，以使所有混合组分具有最佳均匀性。

挤出过程中整个缸体的温度分布应为：第一区150℃，第二区180℃，第三区190℃，筛网支架210℃，铸件210℃。这些温度可以根据所使用的机械类型和所使用的熔融指数不同而有所变化。

因为纸张在从挤出机铸件中出来时尽快固化，所以其倾向于起皱很多。为了对此进行矫正，需要使纸张在抵达牵引辊时尽可能热(100℃)。这可以通过将牵引辊靠近铸件出口并控制冷却空气而实现。

最好向将纸张导向线圈的导辊中的一个施加电晕处理，以将纸张的表面张力至少提高至40达因，以方便印刷。

如果纸张的用途需要透气，在印刷之后、进入切割阶段之前对纸张进行微穿孔。此过程可以热或冷实施，但是由于纸张的硬度，最好冷处理，以保持光滑的平面。

较佳实施例

配方I

用于制造利用自动包装工艺包裹人造黄油用的50g/m²纸张配方：

-65％p/p高密度聚乙烯，密度0.960g/cm³，熔融指数1.5g/10分钟；

-15％p/p高密度聚乙烯，密度0.950g/cm³，熔融指数20g/10分钟；

-13％p/p硅酸镁(滑石粉)；

-5％p/p碳酸钙；以及

-2％p/p二氧化钛。

随后进行上述通用生产过程，生产纸张。

配方II

用于制造通常包裹汉堡包和快餐的30g/m²纸张的配方：

-74％p/p高密度聚乙烯，密度0.964g/cm³，熔融指数2g/10分钟；

-10％p/p高密度聚乙烯，密度0.950g/cm³，熔融指数20g/10分钟；10％p/p硅酸镁(滑石粉)；

-4％p/p碳酸钙；以及

随后进行上述通用生产过程，生产纸张。

用于测定记忆力的方法

开发了下述方法用于测定记忆力：

1.制造具有两个旋管或辊子的装置，一个由橡胶制成，具有60邵氏(shore)的硬度，一个由金属制成，一个处于另一个的上方。在其末端安置气动活塞来加以压力。这些辊子连接至由电动机驱动的传动装置，该传动装置载有频率转换器，用以精密控制旋转。

2.为了比较，取5个配方I的合成纸张样品、5个铝片样品和5个聚丙烯片样品，其分别都具有75μm的厚度，大小为10cm乘10cm。使用铝片是因为这种类型的包装纸广泛用于需要极佳的折叠性的领域，使用聚丙烯是因为这种产品用于某些类型的包装中，例如包装炸薯条。

3.辊子在60转每分钟的速度下开始自转，并分别承受10psi、20psi、30psi、40psi和50psi的压力。

4.将每个样品对折，并引导通过辊子。

5.进行第一个试验，在10psi压力下导入合成纸张样品、随后是铝样品、最后是聚丙烯样品。类似地，第二个试验在20psi压力下进行、第三个试验在30psi压力下进行、第四个试验在40psi压力下进行、第五个试验在50psi压力下进行。

6.经受压力之后，将样品放置10分钟以给予其回复记忆力的机会，并测定由两个平面形成的开度角。

合成纸张的两个平面形成的开度角非常小，铝的是0°角，聚丙烯是180°角；因此，为了尽力模拟工业人造黄油包装机械的折叠，进行以下操作：

1.将已经对折的相同样品轻轻地再次折叠，使其形成四个重叠的5cm乘5cm大小的平面，在相同速度和相同压力下再次将其导入辊子中。

2.样品放置10分钟，结果示于下表中。

配方I

	10psi	20psi	30psi	40psi	50psi
	10psi	20psi	30psi	40psi	50psi	合成纸张角度	12°/60°	10°/55°	8°/45°	6°/43°	4°/40°
铝纸角度	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	合成纸张角度	12°/60°	10°/55°	8°/45°	6°/43°	4°/40°
铝纸角度	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	聚丙烯角度	180°/180°	180°/180°	180°/180°	180°/180°	180°/180°

所得数值表示为：

(两折时所得角度/四折时所得角度)

为了将这些结果转换成百分比，我们可以这样讲：零记忆力的薄片是在预定压力下折叠时两个平面间形成的角度为零的薄片，例如铝片的情况。因此，我们可以这样讲：具有很大记忆力的薄片是在预定压力下折叠时两个平面间形成的角度为180°的薄片，例如聚丙烯片的例子。

我们可以得到这样的结论，即，具有最大记忆力的纸张具有100％的值，具有零记忆力的为0％。

上述表格可以转换成下表：

记忆力百分比

	10psi	20psi	30psi	40psi	50psi
	10psi	20psi	30psi	40psi	50psi	合成纸张角度	6.6/33.3	5.5/30.5	4.4/25	3.3/23.8	2.2/22
铝纸角度	0°/0°	0°/0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	合成纸张角度	6.6/33.3	5.5/30.5	4.4/25	3.3/23.8	2.2/22
铝纸角度	0°/0°	0°/0°	0°/ 0°	0°/ 0°	0°/ 0°	聚丙烯角度	100/100	100/100	100/100	100/100	100/100

Claims

1.合成纸张，包括以下组分：

-一种或多种高密度聚乙烯；

-当量球径在3μm至50μm之间的硅酸镁；以及

-碳酸钙。

2.根据权利要求1所述的合成纸张，其特征在于各组分的p/p百分比范围为：

-高密度聚乙烯50％至75％；

-硅酸镁5％至32％；以及

-碳酸钙4％至16％。

3.根据权利要求1所述的合成纸张，其特征在于一种或多种高密度聚乙烯分子量极低。

4.根据权利要求1所述的合成纸张，其特征在于高密度聚乙烯的密度范围为0.930至0.970g/cm3之间。

5.根据权利要求1所述的合成纸张，其特征在于硅酸镁颗粒的平均当量球径为10μm至20μm之间。

6.根据权利要求4所述的合成纸张，其特征在于至少98％的硅酸镁颗粒具有小于44μm的当量球径。

7.根据权利要求4所述的合成纸张，其特征在于硅酸镁为实质上显示薄层形状的颗粒。

8.根据权利要求1所述的合成纸张，其特征在于碳酸钙颗粒的平均当量球径为1至1.2μm之间。